⑥二叉堆

定义:

二叉堆是一颗被完全填满的二叉树,底层是从左到右填入。即完全二叉树。一棵高为h的完全二叉树有2^h到2^(h+1)-1个节点。这个还是很好证明的。由于完全二叉树很有规律,所以我们用数组而不是指针来表示它。

 对于任意位置i上的元素,左儿子位置为2i,右儿子(2i+1),父亲为[i/2](向下取整)

 1 typedef struct HeapStruct *PriorityQueue;
 2 #define Mindata -10000
 3 struct HeapStruct{
 4     int *Element;//成员数组
 5     int Capacity;//容量
 6     int Size;//当前大小
 7 };
 8
 9 PriorityQueue Initial(int MaxElements){
10     PriorityQueue H;
11     H = (PriorityQueue)malloc(sizeof(struct HeapStruct));
12     H->Capacity = MaxElements;
13     H->Size = 0;
14     H->Element = (int*)malloc(sizeof(int)*(MaxElements + 1));
15     H->Element[0] = Mindata;
16     return H;
17 }

这里这个Mindata还是很有讲究的,后面解释。

堆可以分成最小堆和最大堆。

最小堆:对于每个节点X,X的父亲中的关键字小于或等于X。也就是对任意一棵树(子树),根节点总是最小的。

插入:

eg:插入14 

    

最初插入的位置是16的左节点,然后与16比,发现14比16小,那就违反了最小堆原则。那就把16放到14的位置,14上移动。

然后再和13比,发现已经比小了,那就符合最小堆条件,不需要再移动,所以插入完成。

 1 void Insert(int X, PriorityQueue H){
 2     int i = 0;
 3     if (H->Size == H->Capacity){
 4         printf("full!");
 5     }
 6     else{
 7         for (i = ++H->Size; X < H->Element[i / 2]; i /= 2)
 8             H->Element[i] = H->Element[i / 2];
 9         H->Element[i] = X;
10     }
11 }

这里就显示出MinData的好处了。 如果你现在要插入的是11,那么就比13这个原来的根节点还要小。但这时候根节点已经没有父节点的,而[1/2]=0, Element[0]又是你自己定义的最小的一个元素,所以11就直接留在根那块停下来了。当然不用Mindata做个判断语句当然也是可行的。

这里有用到一个策略叫做‘‘上滤",通俗一点就是把原来子节点要考虑的问题转移到他父节点去考虑。

DeleteMin:

    其实和插入差不多。因为最小堆的最小值就是根,所以把根值取出即可。但我们不能取出之后就不管堆了啊,这时候可以把最后那个节点放到根上,然后再下滤来调整堆。比如像对于上面那个图,取出13后,把16放到13那个位置。但明显14比16小,所以需要下滤调整。

 1 int DeleteMin(PriorityQueue H){
 2
 3     int i,child;
 4     if (H->Size == 0){
 5         printf("empty!");
 6     }
 7     int LastNumber = H->Element[H->Size];
 8     int MinNumber = H->Element[1];
 9     H->Size--;
10     for (i = 1; 2 * i <= H->Size; i = child){
11         child = 2 * i;
12         if (child != H->Size&&H->Element[child + 1] < H->Element[child]){  //这句很重要,因为可能只有一个孩子
13             child++;
14         }
15         if (LastNumber > H->Element[child]){
16             H->Element[i] = H->Element[child];
17         }
18         else
19             break;
20     }
21     H->Element[i] = LastNumber;
22     return MinNumber;
23
24 }

其他还有很多操作:

①DecreaseKey:上滤即可

②Delete: 先把key decrease成负无穷,然后再deleteMin即可。

③Min-Heapify:就是在假设左子树右子树都符合堆的性质时,根有可能不符合,进行调整使其符合。

    代码和DeleteMin差不多:

  

 1 void Min_Heapify(PriorityQueue H,int Num){
 2     int child, i;
 3     int root = H->Element[Num];
 4     printf("%d", root);
 5     for (i = Num; 2 * i <= H->Size; i = child){
 6         child = 2 * i;
 7         if (child != H->Size&&H->Element[child + 1] < H->Element[child]){  //这句很重要,因为可能只有一个孩子
 8             child++;
 9         }
10         if (root > H->Element[child]){
11             H->Element[i] = H->Element[child];
12         }
13         else
14             break;
15     }
16     H->Element[i] =root;
17 }

④BuildHeap:

  首先定理: 当用数组存储n个元素的堆时,叶节点下标分别为[n/2]+1,[n/2]+2……n.(向下取整)

                 因为①:Size为偶数时:2i=H->Size,所以i<=(H->Size)/2

②:Size为奇数时:2i+1=H->Size,所以i<=(H->Size-1)/2。

因此:我们建堆如下:只要从叶节点的前一个元素开始,依次对每一个元素进行一次维护最小堆性质的处理即可。再一次以上面的图为例。只要依次对14,21,13进行Min_Heapify就可以了。

   

1 void Build_Heap(PriorityQueue H, int* a,int length){
2     H->Element = a;
3     H->Size = length;
4     int i;
5     for (i = length / 2 ; i >= 1; i--){
6         Min_Heapify(H, i);
7     }
8 }

 可以证明:Build_Heap的运行时间为O(N)。

      

  

时间: 2024-10-05 03:10:51

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